В Научно-технологическом центре уникального приборостроения РАН разрабатывают новые технологии для оптических пинцетов

Оптический пинцет является одним из ключевых инструментов для биомедицинских исследований. Его совершенствование открывает новые возможности управления микрообъектами. Новая концепция заключается в том, чтобы все управление лазерным пучком оптического пинцета осуществлялось акустооптическими методами.

Автор технологии «оптического пинцета» в 2018 году был отмечен Нобелевской премией по физике, а технология получила широкое распространение. Она впервые позволила осуществлять микроперемещения живых клеток, отслеживать динамику жизни микробов. Ключевыми элементами этого инструмента являются система формирования лазерных ловушек и система сканирования, необходимая для управления их пространственным положением. Первая обеспечивает функциональность пинцета, вторая – его быстродействие.

В качестве альтернативы применяемым в настоящее время довольно сложным и дорогостоящим системам сканирования пытаются использовать акустооптические функциональные элементы, обеспечивающие управление световыми потоками с помощью акустических волн в твердых и жидких средах. Компактные акустооптические ячейки давно с успехом применяются, например, для управления направлением и интенсивностью лазерных пучков в виде дефлекторов и модуляторов. Особенностями акустооптических устройств является их высокое быстродействие и широчайшие возможности управления в реальном времени.

Скорость переключения таких устройств определяется временем пробега упругих волн через акустооптическую ячейку и составляет микросекунды, что в 100 раз быстрее электрооптических устройств, где это время ограничивается изменением молекулярной структуры материала. Но наиболее важное свойство таких устройств - способность к скачкообразному переключению (изменению свойств). Например, акустооптический дефлектор способен переключать лазерный луч в разные положения за одно и то же минимальное время, не важно, как далеко они отстоят друг от друга. Иными словами, акустооптический метод позволяет одномоментно «переключать» ловушку с одной частицы на другую.

Новая концепция, разрабатываемая в Научно-технологическом центре уникального приборостроения Российской академии наук, заключается в том, чтобы все управление лазерным пучком оптического пинцета осуществлялось акустооптическими методами.

С 2015 года в НТЦ УП РАН ведутся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку акустооптических методов управления лазерным излучением для оптического пинцета. Работа группы молодых ученых из Лаборатории акустооптической спектроскопии направлена на создание полностью электронно-управляемого инструмента, основанного на акустооптических методах для задания и быстрого изменения количества, положения и формы ловушек. Для этого предполагается использовать несколько последовательно расположенных акустооптических ячеек, каждая из которых обеспечивает прецизионное управление лишь одним параметром лазерного пучка (направлением, интенсивностью, положением плоскости фокусировки, профилем пучка). С другой стороны, одновременная генерация нескольких ультразвуковых волн в акустооптической ячейке позволяет из падающего пучка получать несколько отдельных с регулируемыми характеристиками.

Таким образом, становится возможным собрать «полностью акустооптически управляемый» оптический пинцет с функциональными возможностями и характеристиками диктуемыми решаемой задачей. Такой модульный и проблемно-ориентированный подход позволяет с помощью набора нескольких компактных последовательно расположенных акустооптических элементов реализовывать как базовые функции оптического пинцета, то есть наведение и сканирование по произвольным пространственным траекториям в предметной плоскости (lateral scanning), так и достаточно сложные режимы: продольное сканирование (axial scanning), одновременное управление несколькими ловушками (multi-trapping), изменение их формы (shaping).

Концепция, предполагающая реализацию всех элементов на основе акустооптической технологии, основывается на единой технологической базе, что упрощает стыковку элементов комплекса и не сужают область применимости отдельных элементов, поскольку все они имеют единые технологические ограничения. Разрабатываемые в НТЦ УП РАН акустооптические технологии позволяют создавать интеллектуальные роботизированные системы для осуществления трехмерных пространственных манипуляций с микрочастицами, таких, как их быстрая сортировка, а также размещение в нужном положении значительного количества различных микрообъектов. Можно ожидать, что концепция выведет оптический пинцет на новый функциональный уровень и найдет применение в биофизике, медицине, коллоидной химии.